Учёные из Нидерландов изучили, какой набор материалов обеспечивает наибольшую эффективность люминесцентным солнечным концентраторам, преобразующим солнечную энергию в электричество. Эти устройства, известные как люминесцентные солнечные концентраторы, представляют собой тонкие слои прозрачного материала, покрытого специальными веществами — люминофорами, которые поглощают солнечный свет и затем переизлучают его в форме электрических волн.
Исследовательская группа из Нидерландов определила наиболее эффективное сочетание материалов для повышения производительности LSC.
«Люминесцентные солнечные концентраторы представляют собой уникальные устройства для преобразования солнечной энергии», — отметил профессор Утрехтского университета Вилфрид ван Сарк. «Обычно они состоят из тонких прозрачных материалов, называемых волноводами, которые покрыты люминофорами — специфическими молекулами или наночастицами, способными поглощать солнечный свет и излучать его на больших длинах волн. Это изменение длины волны позволяет свету оставаться внутри волновода за счёт процесса полного внутреннего отражения. После этого свет перенаправляется к краям волновода, где фотогальванические элементы преобразуют его в электроэнергию».
Современные LSC обладают относительно низкой эффективностью — около 1% по сравнению с обычными солнечными панелями, демонстрирующими КПД порядка 20%. Экономическая целесообразность их применения во многом определяется площадью поверхности, которую они способны покрыть, например, окна или фасады высотных зданий.
Для обеспечения эффективной работы люминофоры должны соответствовать ряду требований: минимизировать поглощение видимого света, одновременно обеспечивая эффективное поглощение ультрафиолетового и инфракрасного излучения. Таким образом, устройство останется прозрачным и может быть применено для покрытия оконных стёкол в зданиях.
Тем не менее, до настоящего времени остаётся неясным, какие типы люминофоров являются наиболее эффективными, как они функционируют в реальных концентраторах и какая конструкция устройства является оптимальной. Для ответа на эти вопросы команда профессора ван Сарка провела исследование взаимодействия света внутри волновода с использованием передовых методов моделирования. Были протестированы 92 типа люминофоров в комбинации с прозрачным материалом полиметилметакрилат, и определена наиболее эффективная конфигурация для захвата и преобразования солнечного света в электричество: волновод с наночастицами сульфида меди-индия и сульфида цинка.
Результаты моделирования показывают, что эффективность системы зависит от спектра поглощения и эмиссии люминофоров. Более широкий спектр поглощения позволяет использовать большее количество света для генерации электроэнергии. Важной характеристикой является также квантовая эффективность используемого люминофора, которая должна быть максимально высокой.
Кроме того, люминофоры должны не только эффективно преобразовывать солнечную энергию в электрическую, но и обеспечивать минимальное рассеивание света, а также сохранять естественный цветовой баланс, что особенно важно при использовании устройств на окнах. Оптимизация всех этих параметров представляет собой сложную задачу, сообщает издание Advanced Science News.
Согласно исследованиям текущего года, хранение солнечной энергии в концентраторах обходится значительно дешевле, чем использование батарей. Для повышения конкурентоспособности и надёжности данной технологии необходимо разработать международные стандарты, регламентирующие качество и безопасность подобных решений.
